純有機(jī)室溫磷光材料具有易調(diào)控、低毒性、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),并被廣泛應(yīng)用于防偽、生物成像、電子顯示及傳感器等領(lǐng)域,因此激發(fā)了很多科學(xué)家的研究興趣。三重態(tài)激子非常容易受到環(huán)境因素影響而猝滅,或通過非輻射躍遷耗散能量,因此有機(jī)材料的磷光最初是在低溫條件下實(shí)現(xiàn)的,近年,通過多重分子間相互作用的協(xié)同作用抑制分子運(yùn)動(dòng),開發(fā)了許多有機(jī)室溫磷光材料,但有機(jī)高溫磷光現(xiàn)象仍很少見。由于分子間相互作用的種類和數(shù)量繁多,在聚集結(jié)構(gòu)中的分布難以精細(xì)調(diào)控,分子間相互作用與磷光性質(zhì)間的關(guān)系仍不明晰 (圖1a)。
圖1 分子設(shè)計(jì)思路和溫度調(diào)控的多色磷光。(a) 磷光發(fā)射與分子間相互作用關(guān)系的研究;(b) 范德華力、π-π相互作用和氫鍵作用的相互作用能;(c) 通過逐級(jí)解鎖分子間相互作用實(shí)現(xiàn)溫度可控的多色磷光;(d) 在不同溫度下拍攝紫外燈照射和關(guān)閉后的Cs-C5OH晶體的照片;(e) 在不同溫度下拍攝紫外燈照射和關(guān)閉后的Cs-C5OD晶體的照片。
近日,《Angew. Chem. Int. ed》 (《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》) 在線發(fā)表了武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院李振/李倩倩課題組關(guān)于三重態(tài)激子與分子間相互作用關(guān)系的研究,論文標(biāo)題為 “Unveiling One-to-One Correspondence Between Excited Triplet States and Determinate Interactions by Temperature-Controllable Blue-Green-Yellow Afterglow”。文中,作者根據(jù)不同種類分子間相互作用對(duì)溫度耐受性的差異(圖1b),通過升溫過程逐級(jí)削弱/破壞分子間相互作用以實(shí)現(xiàn)溫度響應(yīng)的變色磷光,獲得了分子間相互作用與三重態(tài)激子一一對(duì)應(yīng)關(guān)系 (圖1c),為三線態(tài)激子的動(dòng)態(tài)調(diào)控提供了重要的依據(jù)和策略。
分子設(shè)計(jì)中,選擇氧化吩噻嗪作為產(chǎn)生磷光的核心單元,以形成π-π相互作用,通過烷基長(zhǎng)度的變化以調(diào)控分子堆積,并提供范德華力,如C-H···X (X=O、S、N和π) 相互作用,而羥基作為末端基團(tuán),可以產(chǎn)生分子間氫鍵作用進(jìn)一步抑制分子運(yùn)動(dòng)。這一系列化合物的晶體中,Cs-C5OH晶體表現(xiàn)出溫度響應(yīng)的變色磷光,隨著溫度從303 K升高到403 K,余輝顏色從藍(lán)色變?yōu)榫G色,然后變?yōu)辄S色,通過氘化過程甚至可實(shí)現(xiàn)白光發(fā)射 (圖1d-e)。與不含羥基的相似化合物Cs-C5進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)氫鍵作用是穩(wěn)定高溫磷光的關(guān)鍵因素。通過不同溫度條件下的發(fā)光性質(zhì)和原位單晶衍射測(cè)試,并結(jié)合理論計(jì)算,表明溫度可控的多色磷光與分子聚集狀態(tài)中的分級(jí)結(jié)構(gòu)和分子間相互作用的合理分布密切相關(guān),源自于具有能量差異的各種相互作用的逐級(jí)解鎖過程。
如圖2a-e所示,隨著溫度從303 K升高到383 K,不同種類分子間相互作用的變化程度差異很大,對(duì)于Cs-C5OH晶體,氫鍵OH···O的距離幾乎沒有變化 (ΔD1:0.002 ?),C-H···π相互作用的距離變化很大,從3.580 ?變化到3.634 ? (ΔD2:0.054 ?),π-π相互作用比C-H···π相互作用表現(xiàn)出對(duì)高溫更好的耐受性,π-π相互作用距離隨著溫度升高體現(xiàn)出較小變化(ΔD3:0.032 ?, ΔD4:0.019 ?)。此外,由于缺少氫鍵的穩(wěn)定作用,Cs-C5晶體中的各種分子間相互作用變化幅度更大 (Δd2:0.108 ?, Δd4:0.041 ?)。通過系統(tǒng)研究,建立了磷光顏色與主要分子間相互作用的關(guān)系 (圖2f-g),藍(lán)色磷光發(fā)射主要與有機(jī)發(fā)光體單分子狀態(tài)下的發(fā)射有關(guān),其主要與具有弱耐溫性的C-H···X相互作用有關(guān),綠色磷光主要?dú)w因于具有更強(qiáng)耐溫性的短程π-π耦合,耐高溫性最強(qiáng)的黃色發(fā)射來自于長(zhǎng)程電子耦合的連續(xù)π-π相互作用和垂直方向的氫鍵所形成的相互作用網(wǎng)絡(luò)。在初始狀態(tài) (303K) 時(shí),藍(lán)色、綠色和黃色的磷光發(fā)射同時(shí)存在,但主要呈現(xiàn)藍(lán)色余輝。隨著溫度的升高,Cs-C5OH的熱運(yùn)動(dòng)大大削弱了藍(lán)色磷光,體現(xiàn)出具有較好耐高溫性的綠色余輝,進(jìn)一步升高溫度,綠色磷光也快速衰退,呈現(xiàn)出具有最強(qiáng)溫度耐受性的黃色余輝。
圖 2 磷光性能與分子間相互作用的關(guān)系。隨著溫度從303 K升高到383 K,(a) Cs-C5OH中氫鍵作用的變化;(b) Cs-C5OH和Cs-C5晶體中C-H···π距離的變化;(c)Cs-C5OH和Cs-C5晶體中π-π距離的變化;(d) 不同種類分子間相互作用距離的變化 (ΔD);(e) 由π-π相互作用和氫鍵作用構(gòu)建的三網(wǎng)相互作用網(wǎng)絡(luò);(f) 余輝顏色隨溫度升高而變化的示意圖。在初始狀態(tài) (303K) 時(shí),藍(lán)色、綠色和黃色的磷光發(fā)射同時(shí)存在,主要呈現(xiàn)藍(lán)色余輝。然后,Cs-C5OH的熱運(yùn)動(dòng)大大削弱了藍(lán)色的磷光,導(dǎo)致表現(xiàn)為具有更好的耐高溫性的綠色的余輝,并在更高溫度下變?yōu)辄S色余輝;(g) 磷光顏色與分子間相互作用的關(guān)系,藍(lán)色磷光主要由C-H···π相互作用和氫鍵主導(dǎo),綠色磷光主要由π-π相互作用和氫鍵主導(dǎo),黃色磷光主要由相互作用網(wǎng)絡(luò)主導(dǎo)。
原文鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.202302792
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